倪洪啟， 李祥瑞， 王樹強(qiáng)， 王建彬， 王鳳雙

（1.沈陽化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110142；2.秦皇島北方管業(yè)有限公司，河北秦皇島066004）

0 引言

波紋補(bǔ)償器是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，由波紋管、法蘭盤、接管、導(dǎo)流筒等構(gòu)件組成。波紋管補(bǔ)償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能，使管道補(bǔ)償由于溫度和機(jī)械振動(dòng)而導(dǎo)致的軸向、徑向以及組合位移，補(bǔ)償?shù)淖饔镁哂心蛪?、耐溫度、減振降噪的功能，起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用［1-2］。不銹鋼波紋管是波紋補(bǔ)償器的主要組成元件，依靠波紋管伸縮、彎曲來對(duì)管道進(jìn)行軸向、徑向以及組合補(bǔ)償。使其可以起到：1）補(bǔ)償管道軸向、徑向、角向的熱變形；2）吸收設(shè)備振動(dòng)，降低振動(dòng)對(duì)管道的影響；3）吸收地震等自然現(xiàn)象對(duì)管道的影響變形量［3］。

常見的補(bǔ)償器有3種：1）大拉桿補(bǔ)償器，可以滿足軸向補(bǔ)償；2）平面鉸鏈補(bǔ)償器，可以滿足鏡像補(bǔ)償；3）萬向鉸鏈補(bǔ)償器，既可滿足軸向補(bǔ)償，也可滿足徑向補(bǔ)償。本文僅對(duì)平面鉸鏈補(bǔ)償器進(jìn)行有限元分析，為波紋管補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能提升提供技術(shù)支持［4］。

1 補(bǔ)償器三維模型及有限元模型的建立

1）三維模型的建立。根據(jù)圖紙，建立平面鉸鏈補(bǔ)償器的三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析，三維模型如圖 1（a）所示。

2）有限元模型的建立。由于平面鉸鏈補(bǔ)償器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用模型的1/2建立有限元模型，整體采用SOLID187單元，接觸部分采用CONTA174，TARGE170單元。在接管內(nèi)壁以及兩端施加法向壓力以模擬實(shí)際工作環(huán)境，大小為 3.1 MPa，在鉸鏈處添加接觸對(duì)［5-7］，有限元模型如圖1（b）所示。補(bǔ)償器的力學(xué)性能參數(shù)表如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 位移分析

圖 2（a）為各節(jié)點(diǎn)總位移分布圖。由圖 2（a）可知，最大位移發(fā)生在立板底部且靠近對(duì)側(cè)處，鉸鏈板處應(yīng)力也較大。在軸向方向上，離中心越遠(yuǎn)應(yīng)力越?。辉趶较蚍较蛏?，離馬鞍板越遠(yuǎn)應(yīng)力越大。從頂部至尾部分別取代表性節(jié)點(diǎn) 163、121 053（法蘭盤中間節(jié)點(diǎn)），3 627、117 916（接管中間節(jié)點(diǎn)），27 369、103 824（馬鞍板中間節(jié)點(diǎn)），64 721（銷孔中間節(jié)點(diǎn)）。由這7個(gè)節(jié)點(diǎn)繪制出節(jié)點(diǎn)-位移變化曲線，如圖 2（b）所示。

圖1 補(bǔ)償器的三維模型與有限元模型

表1 補(bǔ)償器的力學(xué)性能參數(shù)表

圖2 位移分布圖及節(jié)點(diǎn)-位移曲線

由圖2（b）可知，位移變化整體成對(duì)稱分布。在馬鞍板處位移最小，為0mm；在鉸鏈及立板底端處最大，為2.3mm。

2.2 應(yīng)力分析

圖3（a）為補(bǔ)償器鉸鏈連接處應(yīng)力分布圖，由圖3（a）可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸孔且靠近對(duì)側(cè)處，最大Mises應(yīng)力為129 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，補(bǔ)償器未發(fā)生塑性形變，符合要求；最小應(yīng)力位于馬鞍板處，最小Mises應(yīng)力0.18 MPa。所以，鉸鏈應(yīng)力分布范圍大約在0.18～129 MPa之間。圖3（b）為上述節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布圖，由圖3（b）可知，兩端應(yīng)力變化不大，應(yīng)力主要集中在銷軸孔處。

圖3 應(yīng)力分布圖及節(jié)點(diǎn)-應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

1）建立了平面鉸鏈補(bǔ)償器的三維模型，利用有限元的方法，分析了在規(guī)定工作壓強(qiáng)下的變形及應(yīng)力情況。結(jié)果表明，馬鞍板處變形較小，銷軸連接板及立板底部靠外側(cè)部分變形較大；應(yīng)力分部也主要集中在鉸鏈處，馬鞍板處應(yīng)力較小。

2）根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)際制造時(shí)可在鉸鏈處加厚，如增加鉸鏈板厚度；在銷軸孔直徑不變的前提下增加孔中心與鉸鏈板的距離，以提高安全系數(shù)，避免危險(xiǎn)發(fā)生；其余部分無需加厚，從而降低制造成本。

［1］ 李永生，李建國(guó).波形膨脹節(jié)實(shí)用技術(shù)-設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：33-38.

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